Автограф карандашом. Нобелевская премия по физике присуждена русским британцам за графен Что такое графен

Если у вас есть бриллианты, знайте: несколько лет назад эти сверкающие камни уступили пальму первенства своему серому кузену графиту, пишут журналисты, сообщая, что вчера Нобелевскую премию получили физики русского происхождения, работающие в Великобритании, Андре Гейм и Константин Новоселов. Полученный ими чудо-материал графен открывает поистине фантастические перспективы в электронике и других областях.

Два выходца из России - Андре Гейм и Константин Новоселов, ныне работающие в Манчестерском университете в Великобритании, - удостоены Нобелевской премии по физике за разработку графена - нового материала с уникальными свойствами, сообщает The Wall Street Journal .

"Путь к Нобелевской премии начался для ученых с банального кусочка скотча и графитового карандашного стержня", - повествует автор публикации. Несколько лет назад Гейму и Новоселову понадобилась тонкая пластина графита для исследования его электропроводящих свойств. Они попробовали "ободрать" тончайшие слои с карандашного стержня, наклеивая и снимая скотч. В итоге удалось получить материал толщиной всего в один атом. Материалы толщиной в один атом - особенные: по своим свойствам они совершенно непохожи на стандартные трехмерные, заметил Гейм.

По мнению ученого, графен идеально подходит для производства быстродействующих транзисторов и в отдаленном будущем может вытеснить кремний. В феврале появилась публикация о графеновом транзисторе, работающем в диапазоне радиочастот, а в июне японские и корейские ученые презентовали первый сенсорный экран из графена, сообщает издание.

Кристаллы толщиной в один атом или одну молекулу - это чудо-материалы, поясняет на страницах The New Scientist сам Андре Гейм. Графен "тверже и прочнее алмаза, но растягивается на четверть своей длины, точно резина", поясняет ученый. Графен не пропускает газы и жидкости, проводит тепло и электричество лучше, чем медь. Графеновые транзисторы работают быстрее кремниевых, с графеном можно проводить небывалые эксперименты в сфере квантовой механики, считает новоиспеченный нобелевский лауреат.

Нобелевскую премию по физике редко получают в 36 лет, нечасто и в 51, но именно таков возраст Константина Новоселова и Андрея Гейма - двух ученых российского происхождения, награжденных в этом году премией, обычно присуждаемой ветеранам научного поприща, пишет испанская El Mundo .

"Несмотря на свою молодость, два российских физика за последние годы уже получили такие престижные премии, как EuroPhysics (2008) и премия Кёрбера. Нобелевская премия, присужденная во вторник, венчает череду наград за открытие графена - нового двухмерного материала с уникальными характеристиками, который через несколько лет способен совершить революцию в электронных устройствах", - отмечает корреспондент.

"Помимо страсти к физике, Андрей Гейм на протяжении всей карьеры демонстрировал отличное чувство юмора", - продолжает издание. В 2001 году он опубликовал работу о вращении Земли в соавторстве с неожиданным коллегой - хомяком Тишей, а 2000 году ему была присуждена Шнобелевская премия за использование магнитного поля для левитации лягушек. По мнению Гейма, чувство юмора и любопытство - два качества, необходимые для хорошего ученого.

Исследования Гейма и Новоселова можно считать прорывом в нанотехнологиях - новой и невероятно многообещающей науке, пишет La Stampa . Известно, что алмазы, как и графит, представляют собой кристаллы углерода. Разница в том, что в алмазе атомы углерода формируют трехмерный кристалл, в то время как графит состоит из многочисленных слоев двухмерного кристалла.

"На атомном уровне свойства материалов могут радикально меняться", - пояснил изданию Марко Полини, эксперт по нанотехнологиям Laboratorio NEST Национального научного центра. И именно в бесконечно маленьком мире графит взял реванш. Графен - материал, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку, - обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным для использования в самых различных областях. Прежде всего, чипы на основе графена могут открыть дорогу к миниатюризации электронных компонентов, и в ближайшие годы графен может стать основой для компьютерных экранов - тонких и невероятно легких, как лист бумаги. Далее: ожидается создание сенсоров, чувствительных к появлению самого минимального количества загрязняющих веществ. Кроме того, будет достаточно добавить один промилле графена, чтобы получить более прочный и устойчивый к высоким температурам пластик. Иными словами, вполне справедливо сказать: "Графен - for ever", пишет итальянская журналистка.

Тоньше волоса, легче шелка, но при этом чрезвычайно прочный: Андре Гейм и Константин Новоселов, выходцы из России, создали поистине удивительный материал под названием графен - и получили за это Нобелевскую премию по физике, пишет SPIEGEL ONLINE . Долгое время считалось, что материал из единичного слоя атомов углерода получить невозможно, но в 2004 году в лаборатории университета Манчестера им удалось получить графен - причем очень простым способом: с помощью обычного скотча и куска графита путем многократного приклеивания.

Открытый материал обладает действительно удивительными свойствами, продолжает издание: квадратный метр решетки графена весит менее миллиграмма, при этом на гамаке из него могла бы с комфортом разместиться кошка.

"Интерес к графену прямо-таки зашкаливает, - признает Корнелиус Нильш из университета Гамбурга. - У нас в Германии существует более 100 рабочих групп, занимающихся исследованием этого материала".

Сам Новоселов, по его словам, был "шокирован" известием о присуждении ему и его коллеге Нобелевской премии. Гейм также не рассчитывал на столь почетную награду, поделился он в беседе с изданием.

Графен и российская реальность

newsru.com
Лауреат Нобелевской премии 2010 года по физике Андрей Гейм в интервью рассказал, что несколько лет назад не смог приехать в Россию из-за бюрократических проблем с получением визы.

"Я пытался в какой-то момент поехать, но мне визу не дали по почте. Во все другие страны дают по почте, а в России не дают. Поскольку у меня было российское гражданство, меня хотят видеть в посольстве в Лондоне", - сказал выходец из России, профессор британского Университета Манчестера в интервью "Первому каналу" . По словам Гейма, несмотря на такие проблемы, он все еще хочет навестить институтских друзей.

В настоящее время Андрей Гейм является гражданином Нидерландов. Ранее Гейм и его коллега Константин Новоселов, который разделил Нобелевскую премию с профессором, были сотрудниками физических институтов в подмосковной Черноголовке. Как стало известно, Новоселов, у которого двойное гражданство - России и Великобритании - в конце октября прилетит в Москву на конференцию по нанотехнологиям.

По словам Новоселова, он до сих пор не верит, что это о нем пишут все английские газеты. Как сообщает "Первый канал", своих учеников профессор Новоселов сильно разочаровал. Они считали, что шеф хоть пару дней будет отмечать свою премию, а он первым делом после сообщения о премии погнал их в лабораторию работать.

Лауреаты наливали поздравлявшим вино и просили рассказывать анекдоты

В Университете Манчестера не стали устраивать пышных торжеств в связи с премией. Председатель Британского королевского научного общества поздравил Гейма и Новоселова по телефону. Тем, кто пришел лично пожать лауреатам руку, они наливали красное вино и просили рассказать свежий анекдот.

The Wall Street Journal
Ultrathin Carbon Earns Nobel

Кандидат химических наук Татьяна Зимина.

Нобелевскую премию по физике 2010 года присудили за исследования графена - двумерного материала, проявляющего необычные и одновременно весьма полезные свойства. Его открытие сулит не только новые технологии, но и развитие фундаментальной физики, результатом чего могут стать новые знания о строении материи. Лауреатами Нобелевской премии по физике нынешнего года стали Андре Гейм и Константин Новосёлов - профессора Манчестерского университета (Великобритания), выпускники Московского физико-технического института.

Атомы углерода в графене образуют двумерный кристалл с ячейками гексагональной формы.

Нобелевский лауреат по физике 2010 года Андре Гейм (род. в 1958 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания). Окончил Московский физико-технический институт, кандидатскую диссертацию защитил в Институте физики твёрдого тела (г. Черноголо

Нобелевский лауреат по физике 2010 года Константин Новосёлов (род. в 1974 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания) и выпускник Московского физико-технического института. Работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо

Графен - одна из аллотропных форм углерода. Впервые был получен поэтапным отшелушиванием тонких слоёв графита. Графен, сворачиваясь, образует нанотрубку или фуллерен.

Одно из возможных применений графена - создание на его основе новой технологии расшифровки химической структуры (секвенирования) ДНК. Учёные из Института наноисследований Кавли (Kavli Institute of nanoscience, Нидерланды) под руководством профессора Декке

Графен, материал толщиной всего в один атом, построен из «сетки» атомов углерода, уложенных, подобно пчелиным сотам, в ячейки гексагональной (шести-угольной) формы. Это ещё одна аллотропная форма углерода наряду с графитом, алмазом, нанотрубками и фуллереном. Материал обладает отличной электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой прочностью и практически полностью прозрачен.

Идея получения графена «лежала» в кристаллической решётке графита, которая представляет собой слоистую структуру, образованную слабо связанными слоями атомов углерода. То есть графит, по сути, можно представить как совокупность слоёв графена (двумерных кристаллов), соединённых между собой.

Графит - материал слоистый. Именно это свойство нобелевские лауреаты и использовали для получения графена, несмотря на то что теория предсказывала (и предыдущие эксперименты подтверждали), что двумерный углеродный материал при комнатной температуре существовать не может - он будет переходить в другие аллотропные формы углерода, например сворачиваться в нанотрубки или в сферические фуллерены.

Международная команда учёных под руководством Андре Гейма, в которую входили исследователи из Манчестерского университета (Великобритания) и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Россия, г. Черноголовка), получила графен простым отшелушиванием слоёв графита. Для этого на кристалл графита наклеивали обычный скотч, а потом снимали: на ленте оставались тончайшие плёнки, среди которых были и однослойные. (Как тут не вспомнить: «Всё гениальное - просто»!) Позже с помощью этой техники были получены и другие двумерные материалы, в том числе высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Сейчас такой способ называется «микромеханическим расслоением», он позволяет получать наиболее качественные образцы графена размером до 100 микрон.

Другой замечательной идеей будущих нобелевских лауреатов было нанесение графена на подложку из окиси кремния (SiO 2). Благодаря этой процедуре графен стало возможным наблюдать под микроскопом (от оптического до атомно-силового) и исследовать.

Первые же эксперименты с новым материалом показали, что в руках учёных не просто ещё одна форма углерода, а новый класс материалов со свойствами, которые не всегда можно описать с позиций классической теории физики твёрдого тела.

Полученный двумерный материал, будучи полупроводником, обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников - меди. Его электроны имеют весьма высокую подвижность, что связано с особенностями его кристаллического строения. Очевидно, что это качество графена вкупе с его нанометровой толщиной делает его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике, в том числе в будущих быстродействующих компьютерах, не удовлетворяющий нынешним запросам кремний. Исследователи полагают, что новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (на графене уже получен полевой транзистор) не за горами.

Сейчас физики работают над дальнейшим увеличением подвижности электронов в графене. Расчёты показывают, что ограничение подвижности носителей заряда в нём (а значит, проводимости) связано с наличием в SiO 2 -подложке заряженных примесей. Если научиться получать «свободновисящие» плёнки графена, то подвижность электронов можно увеличить на два порядка - до 2×10 6 см 2 /В. с. Такие эксперименты уже ведутся, и довольно успешно. Правда, идеальная двумерная плёнка в свободном состоянии нестабильна, но если она будет деформирована в пространстве (то есть будет не идеально плоской, а, например, волнистой), то стабильность ей обеспечена. Из такой плёнки можно сделать, к примеру, наноэлектромеханическую систему - высокочувствительный газовый сенсор, способный реагировать даже на одну-единственную молекулу, оказавшуюся на его поверхности.

Другие возможные приложения графена: в электродах суперконденсаторов, в солнечных батареях, для создания различных композиционных материалов, в том числе сверхлёгких и высокопрочных (для авиации, космических аппаратов и т.д.), с заданной проводимостью. Последние могут чрезвычайно сильно различаться. Например, синтезирован материал графан, который в отличие от графена - изолятор (см. «Наука и жизнь» № ). Получили его, присоединив к каждому атому углерода исходного материала по атому водорода. Важно, что все свойства исходного материала - графена - можно восстановить простым нагревом (отжигом) графана. В то же время графен, добавленный в пластик (изолятор), превращает его в проводник.

Почти полная прозрачность графена предполагает использование его в сенсорных экранах, а если вспомнить о его «сверхтонкости», то понятны перспективы его применения для будущих гибких компьютеров (которые можно свернуть в трубочку подобно газете), часов-браслетов, мягких световых панелей.

Но любые приложения материала требуют его промышленного производства, для которого метод микромеханического расслоения, используемый в лабораторных исследованиях, не годится. Поэтому сейчас в мире разрабатывается огромное число других способов его получения. Уже предложены химические методы получения графена из микрокристаллов графита. Один из них, к примеру, даёт на выходе графен, встроенный в полимерную матрицу. Описаны также осаждение из газовой фазы, выращивание при высоком давлении и температуре, на подложках карбида кремния. В последнем случае, который наиболее приспособлен к промышленному производству, плёнка со свойствами графена формируется при термическом разложении поверхностного слоя подложки.

Фантастически велика ценность нового материала для развития физических исследований. Как указывают в своей статье, опубликованной в 2008 году в журнале «Успехи физических наук», Сергей Морозов (Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН), Андре Гейм и Константин Новосёлов, «фактически графен открывает новую научную парадигму - ”релятивистскую” физику твёрдого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых не реализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях… Впервые в твёрдотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинамики». То есть речь идёт о том, что многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом - тончайшим в мире материалом.

Комментарий специалиста

Мы думали о полевом транзисторе…

Редакция попросила прокомментировать результаты работы нобелевских лауреатов Андре Гейма и Константина Новосёлова их коллегу и соавтора. На вопросы корреспондента «Науки и жизни» Татьяны Зиминой отвечает заведующий лабораторией Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (г. Черноголовка) Сергей Морозов.

Как вообще родилась идея получить двумерный углеродный материал? В связи с чем? Ожидали какие-либо необычные свойства у этой формы углерода?

Первоначально у нас не было цели получить двумерный материал из полуметалла, мы пытались сделать полевой транзистор. Металлы, даже толщиной в один атом, для этого не годятся - в них слишком много свободных электронов. Сначала мы получали счётное число атомных плоскостей с кристалла графита, затем стали делать всё более и более тонкие пластинки, пока не получили одноатомный слой, то есть графен.

Графен давно, с середины ХХ века, рассматривали теоретики. Они же и ввели само название двумерного углеродного материала. Именно графен стал у теоретиков (задолго до его экспериментального получения) отправной точкой для расчёта свойств других форм углерода - графита, нанотрубок, фуллеренов. Он же и наиболее хорошо теоретически описан. Конечно, какие-то эффекты, обнаруженные теперь экспериментально, теоретики просто не рассматривали. Электроны в графене ведут себя подобно релятивистским частицам. Но никому в голову раньше не приходила идея изучать, как будет выглядеть эффект Холла в случае релятивистских частиц. Мы обнаружили новый тип квантового эффекта Холла, который явился одним из первых ярких подтверждений уникальности электронной подсистемы в графене. То же можно сказать о присущем графену парадоксе Клейна, известному из физики высоких энергий. В традиционных полупроводниках или металлах электроны могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры, но с вероятностью существенно меньше единицы. В графене электроны (подобно релятивистским частицам) проникают даже сквозь бесконечно высокие потенциальные барьеры безотражательно.

Почему считалось, что двумерный углеродный материал (графен) будет неустойчив при комнатной температуре? И как тогда его удалось получить?

Ранние работы теоретиков, в которых показана неустойчивость двумерных материалов, относились к бесконечной идеальной двумерной системе. Более поздние работы показали, что в двумерной системе всё-таки может существовать дальний порядок (который присущ кристаллическим телам. - Прим. ред.) при конечной температуре (комнатная температура для кристалла - достаточно низкая температура). Реальный же графен в подвешенном состоянии всё же, видимо, не идеально плоский, он слегка волнистый - высота поднятий в нём порядка нанометра. В электронный микроскоп эти «волны» не видны, но есть другие их подтверждения.

Графен - это полупроводник, если я правильно понимаю. Но кое-где я нахожу определение - полуметалл. К какому же классу материалов он относится?

Полупроводники имеют запрещённую зону определённой ширины. У графена она - нулевая. Так что его можно назвать полупроводником с нулевой запрещённой зоной или же полуметаллом с нулевым перекрытием зон. То есть он занимает промежуточное положение между полупроводниками и полуметаллами.

Кое-где в популярной литературе упоминается о других двумерных материалах. Пробовала ли ваша группа получить какие-либо из них?

Буквально через год после получения графена мы получили двумерные материалы из других слоистых кристаллов. Это, например, нитрид бора, некоторые дихалькогениды, высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O. Они не повторяли свойств графена - одни из них вообще были диэлектриками, другие имели очень низкую проводимость. Многие исследовательские группы в мире занимаются изучением двумерных материалов. Сейчас мы используем нитрид бора в качестве подложки для графеновых структур. Оказалось, это радикально улучшает свойства графена. Также, если говорить о применении графена для создания композитных материалов, нитрид бора здесь один из главных его конкурентов.

- Какие существующие методы получения графена наиболее перспективны?

На мой взгляд, сейчас существуют два таких основных метода. Первый - это рост на поверхности плёнок некоторых редкоземельных металлов, а также меди и никеля. Затем графен надо перенести на другие подложки, и это уже научились делать. Данная технология переходит в стадию коммерческих разработок.

Другой метод - выращивание на карбиде кремния. Но хорошо бы научиться растить графен на кремнии, на котором построена вся современная электроника. Тогда бы разработка графеновых устройств пошла бы семимильными шагами, поскольку графеновая электроника естественным путём расширила бы функциональные возможности традиционной микроэлектроники.

Графен - материал, который последние шесть лет находится в центре внимания физиков-экспериментаторов во всем мире. До этого, правда, лет 40 считалось, что двумерный лист углерода - не более чем модельная абстракция, позволяющая в некоторых случаях сделать громоздкие вычисления в квантовой механике чуть более подъемными и обозримыми. Так вот, Константин Новоселов и Андрей Гейм, в настоящее время работающие в Манчестерском университете, получили Нобелевскую премию за то, что перевели графен из теоретической плоскости в практическую. Однако обо всем по порядку.

Долгая дорога к графену

Из школьной химии известно, что свойства того или иного вещества зависят не только от атомов, которые его составляют, но и от их взаимного расположения. В качестве примера обычно приводят углерод, который в случае одного расположения атомов дает хрупкий грязный графит, а в другом - твердый сияющий алмаз. Такие простые вещества, имеющие разные свойства при одинаковом составе, называют аллотропными модификациями. В этом смысле графит и алмаз - аллотропные модификации углерода.

В 60-х годах прошлого века физики стали интенсивно изучать не только трехмерные, но и двумерные аллотропные модификации. В частности, например, атомы углерода могут располагаться в одной плоскости самым простым и естественным образом - в виде гексагональной решетки (то есть решетки, у которой все ячейки - шестиугольники). Уже тогда, кстати, эта идея была не нова - например, Оскар Клейн еще в 1929 году предсказывал такому материалу необычные квантовые свойства.

В это же время предпринимались попытки получить отдельно "куски" плоского углерода, однако они не привели к успеху. В результате многие ученые решили, что получение этого материала на практике в принципе невозможно из соображений стабильности (такое в физике происходит сплошь и рядом - например, составляющие адроны кварки не существуют по отдельности).

В результате графен оставался не более чем абстракцией, удобной, например, для вычислений, ведь в случае двух измерений многие уравнения, связанные, например, с квантовой механикой, заметно упрощаются.

Первым предвестником революционного открытия Андрея Гейма и Константина Новоселова стало обнаружение фуллеренов в середине 1980-х годов. Фуллерены - это выпуклые многогранники, в вершинах которых располагаются атомы углерода. Самый известный подобный материал называется C 60 - в этой модификации атомы располагаются в вершинах фигуры, которая, напоминает футбольный мяч (в математике такой многогранник называется усеченным икосаэдром). За это открытие, кстати, американцы Роберт Керл и Ричард Смелли вместе с британцем Харолд Крото получили Нобелевскую премию по химии 1996 года.

Затем, в 90-х годах, развитие техники сделало возможным изучение так называемых углеродных нанотрубок (на звание первооткрывателей этих объектов претендуют сразу несколько групп исследователей, среди которых есть и советские физики). От трубок, казалось бы, до графена рукой подать: разрезал их вдоль, развернул - вот и готов двумерный листочек углерода. Оказывается, такое , что и доказали ученые из Стэнфордского университета и университета Райса в 2009 году. Однако впервые "невозможный" материал был получен другим способом.

Война за первенство

Андрей Константинович Гейм родился в 1958 году в Сочи. В 1982 году закончил факультет общей и прикладной физики МФТИ, а в 1987 году защитил кандидатскую диссертацию в Институте физики твердого тела АН СССР. До 1990 года работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов, после чего уехал за границу. На момент совершения открытия (2004 год) вместе с Константином Новоселовым работал в Манчестерском университете. Сейчас трудится там же, являясь формально гражданином Голландии. Примечательно, что Гейм является лауреатом Шнобелевской премии 2000 года за изучение левитации лягушек.

Как это часто бывает в науке, Гейму и Новоселову удалось не только удивить большинство физиков, получив на практике материал, который считался нестабильным, но и опередить несколько других групп исследователей, которые буквально дышали им в затылок.

Так, например технологию пилинга (именно так называется методика, по которой работали выходцы из бывшего СССР) придумали не Гейм с Новоселовым - данный метод безуспешно пытались применить исследователи под предводительством Родни Руоффа из Техасского университета еще в 1999 году.

Далее, спустя всего два месяца после появления статьи Гейма и Новоселова ученые из Технологического университета Джорджии подали на публикацию статью, в которой тонкие листы углерода предлагалось получать выжиганием при температуре 1300 градусов по Цельсию карбида кремния. Кроме этого в это же время физики из Колумбийского университета пробовали "рисовать" подобные пленки - они прикрепляли кристалл углерода к игле силового микроскопа и водили им по поверхности. Таким образом, однако, им удалось получить пленки, толщиной в 10 углеродных слоев.

Константин Сергеевич Новоселов родился в 1974 году в Нижнем Тагиле. В 1997 году закончил МФТИ и до 1999 года работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов, после чего уехал за границу. В настоящее время работает в Манчестерском университете. Имеет два гражданства - российское и британское.

Как же Гейм и Новоселов опередили своих соперников? Оказывается, любой человек, когда-либо писавший карандашом, помимо своей воли занимался производством графеновых листов - во время письма углерод с графитового острия отслаивается плоскими хлопьями, некоторые из которых могут оказаться толщиной всего в один атом. Именно эту идею использовали Гейм и Новоселов - они отклеивали хлопья от графита при помощи скотча, после чего переносили их на специальную подложку. В 2004 году в Science появилась статья физиков, в которой они описывали не только технологию получения графена, но и некоторые его свойства.

Физики научились создавать пригодные для наноэлектроники ленты из графена. Ученые объяснили неудачи высокотемпературной сверхпроводимости. Физикам удалось заселить электронами свободные места в графене. Химикам удалось в десятки раз увеличить размер листа графена. Физики раскрыли механизм разрыва графена. Все перечисленное - это только заголовки заметок, посвященных графену, которые появились на "Ленте.ру" с начала 2010 года.

За прошедшие после открытия Гейма и Новоселова 6 лет ученые научились не только производить более или менее большие куски графена, но и обнаружили невероятный потенциал данного материала. Так, графен обладает высокой прочностью (он в 100 раз прочнее листа стали аналогичной толщины), теплопроводимостью (графен проводит тепло в 10 раз лучше меди), максимальной подвижностью электронов среди всех известных материалов, а также пригоден для создания уникальной электроники и многого другого.

Правда, почти все возможности графена пока далеки от практики - факт, который, очевидно, в Нобелевском комитете хорошо понимают (оттого и формулировка, с которой Гейму и Новоселову вручили награду, звучит как "за пионерские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена"). Несмотря на это за графеном будущее. Будущее, которое станет реальностью благодаря работе когда-то российских ученых Андрея Гейма и Константина Новоселова.

Во вторник в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 год. Ими стали русские физики из университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов. Их главное изобретение - материал под названием графен. Что такое графен, и как его можно использовать? Об этом Новоселов рассказал в ровно год назад. Ниже - статья из журнала Forbes, вышедшая в октябрьском номере в 2009 году.

Прозрачная голубая полоска на столе работает будильником. Она же показывает расписание на день, в машине развертывается в экран навигатора, на работе превращается в ноутбук, а вечером на ней можно смотреть кино. Авторы ролика об универсальном гаджете будущего, ученые из южнокорейского университета Сонгюнгван убеждены, что он будет создан в ближайшие 10 лет благодаря графену, самому тонкому во Вселенной материалу с уникальными электронными свойствами.

Это будущее приближают десятки лабораторий во всем мире. Путь от фундаментального открытия до практических результатов в случае с графеном преодолевается даже не за годы, а за месяцы. «Год назад я скептически относился к применению графена в электронике, сейчас это становится вполне реальным бизнесом», - говорит автор открытия Константин Новоселов.

Агентство Thomson Reuters в прошлом году сочло графен достойным Нобелевской премии. В список вероятных лауреатов включены Новоселов и его руководитель - Андрей Гейм, директор Центра мезоскопической физики при Манчестерском университете. «Нобелевку» они пока не получили, но их шансы с каждым годом будут расти. Даже удивительно, что материал со столь блестящими перспективами был получен с помощью липкой ленты, которая случайно не попала в мусорное ведро.

Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом. Миллиарды таких слоев образуют графит, из которого делают грифели для карандашей. В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку.

Графен оказался исключением из этого правила. Гейм и Новоселов обратили внимание на обычный скотч, с помощью которого готовят образцы графита для работы на сканирующем туннельном микроскопе. Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists - мусорными учеными», - смеется Новоселов. Склеивая и разлепляя ленту с хлопьями графита несколько раз, Новоселов получил то, что считалось невозможным, - слои графита толщиной в один атом. Их площадь достигала одного квадратного миллиметра: этого более чем достаточно, чтобы перенести графен на подложку и исследовать механические и электронные свойства. В 2004 году в журнале Science вышла эпохальная статья Гейма, Новоселова и их давнего коллеги Сергея Морозова. Свойства - проводимость, прочность, стабильность - оказались уникальными.

«У графена есть свойства, которых нет ни у одного материала, - говорит Новоселов, - это в буквальном смысле материя, ткань. С ней можно делать то же самое, что вот с этой салфеткой: сгибать, сворачивать, растягивать…» Бумажная салфетка неожиданно рвется у него в руках. С графеном такого не случится, замечает физик, это самый прочный материал на Земле.

Почему в графене видят материал, который вытеснит кремниевую электронику? Электроны в нем перемещаются в сотню раз быстрее, чем в кремнии. В прошлом году Гейм и Новоселов с соавторами показали, что из графена можно делать транзисторы, управляемые отдельными электронами. Все это позволит создать более миниатюрные и быстрые микросхемы, которые и греются намного меньше кремниевых.

Не хотел бы Новоселов заработать на своем открытии? Физик смотрит на меня с недоумением. Для него есть вещи поинтереснее. «Мы заканчиваем исследования задолго до того, как начинается коммерциализация, - объясняет он, - и не пытаемся заниматься технологиями». Представителей компаний, которые обращаются к ним, Гейм и Новоселов обычно отправляют в Graphene Industries - фирму, созданную их студентами. Те вручную делают пластинки графена и поштучно продают в лаборатории IBM, Intel, Samsung.

До 2020 года, по прогнозам исследовательской компании Lux Research, графен не поколеблет основы кремниевой электроники. Но уже сейчас новый материал обходит кремний по флангам, показывая себя в новых приложениях. Например, в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приемников и передатчиков мобильной связи. «Опытные образцы появились в начале года, а сейчас у них уже наблюдаются рекордные показатели», - говорит Новоселов. Особенно продвинулись в их создании IBM и HRL (близкие к оборонному заказу исследовательские лаборатории, которыми совместно владеют Boeing и General Motors). В конце прошлого года HRL получили грант на 50-месячную программу графеновой электроники, которую координирует SPAWAR - инжиниринговый центр Военно-морского флота США. «Они даже не притворяются, что занимаются физикой, а прямо говорят, что делают приборы», - замечает Новоселов.

Развитие графеновой темы привлекло к ней внимание частных инвесторов. Несколько американских компаний замахнулись на производство сотен тонн графена к концу 2010 года. Такие объемы могут затоварить рынок радиочастотных транзисторов навечно, но производители пока ориентируются не на электронику.

Уже сейчас графен востребован как наполнитель для композитных материалов, говорит гендиректор фирмы XG Sciences Майкл Нокс. Гендиректор фирмы Angstron Materials Бор Джанг предлагает использовать графен в устройствах для хранения энергии - аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, которые вырабатывают электроэнергию от соединения водорода с кислородом. Компания Vorbeck Materials продает Vor-ink - «чернила», позволяющие печатать электронные схемы.

Нокс узнал о графене в 2006 году от профессора Мичиганского университета Лоуренса Дрзала, который убедил его в том, что на графене можно хорошо заработать. «Я как раз продал свой предыдущий бизнес и искал какую-нибудь перспективную технологию, - вспоминает Нокс. - С тех пор ажиотаж вокруг графена непрерывно растет».

Джанг - пример ученого-предпринимателя, словно сошедший со страниц брошюры о коммерциализации технологий. С 2005 года он декан Колледжа технических и компьютерных наук при Университете Райта. Старт его компании Nanotek Instruments в 1997 году обеспечили гранты Министерства энергетики США. Затем от Nanotek отпочковалась Angstron. Свой первый патент, связанный с графеном, Джанг заявил еще в 2002-м - за два года до революционной работы русских физиков. «Их заслуга в том, что они первыми обнаружили необычные электронные свойства изолированных листов графена», - объясняет Джанг. К 2015 году он скромно планирует занять 30–40% мирового рынка графена, а еще раньше - провести IPO или продать компанию крупному инвестору. Vorbeck уже обзавелась серьезным партнером: для немецкого химического гиганта BASF фирма разрабатывает токопроводящую краску.

Чтобы фундаментальное открытие было применено на практике, оно должно обрасти тысячами изобретений. От создания первого транзистора в 1947 году до распространения интегральных схем, обеспечивших первенство кремниевой электроники, прошло почти два десятилетия. Если графеновая революция пойдет теми же темпами, универсальный гаджет, о котором мечтают южнокорейские исследователи, появится на прилавках самое позднее в 2022 году.

МОСКВА, 5 окт - РИА Новости. Нобелевская премия 2010 года по физике стала праздником сразу для двух стран, для родины лауреатов - России, и для их нынешнего дома - Британии. Шведские академики присудили высшую научную награду Андрею Гейму и Константину Новоселову за открытие двумерной формы углерода - графена, заставив российских ученых сетовать на утечку мозгов, а британских - надеяться на сохранение финансирования науки.

"Жаль, что свои открытия Гейм и Новоселов сделали за рубежом", - сказал РИА Новости завкафедрой физики полимеров и кристаллов МГУ, академик РАН Алексей Хохлов.

"Правительству следует извлечь уроки из решения Нобелевского комитета", - прокомментировал присуждение Нобелевской премии по физике президент Королевского научного общества профессор Мартин Риз. Он напомнил о том, что многие ученые, в том числе иностранные, которые работают в Британии, в случае сворачивания финансирования могут просто уехать в другие страны.

Британское правительство 20 октября обнародует планы серьезного урезания государственных расходов . Наука и высшее образование, как ожидается, станут одной из сфер, которые сокращения затронут наиболее остро.

Выпускники МФТИ Гейм и Новоселов, работающие в Манчестере, получили премию "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена". Они разделят между собой 10 миллионов шведских крон (около одного миллиона евро). Церемония вручения награды пройдет в Стокгольме 10 декабря, в день кончины ее основателя - Альфреда Нобеля.

Графен стал первым в истории двумерным материалом , состоящим из единичного слоя атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Долгое время считалось, что такая структура невозможна.

"Считали, что таких двумерных однослойных кристаллов не может существовать. Они должны потерять устойчивость и превратиться в нечто другое, ведь это фактически плоскость без толщины", - сказал РИА Новости бывший начальник лауреатов, директор Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (ИПТМ) Вячеслав Тулин.

Однако "невозможный" материал, как оказалось, обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые делают его незаменимым в самых разных сферах. Графен проводит электричество так же хорошо, как медь, на его базе можно создавать сенсорные экраны, фотоэлементы для солнечных батарей, гибкие электронные приборы.

"Это будущая революция в микроэлектронике. Если сейчас компьютеры гигагерцовые, то будут терагерцовые и так далее. На базе графена будут создавать транзисторы и все другие элементы электронных схем", - сказал РИА Новости профессор кафедры квантовой электроники МФТИ Алексей Фомичев.

Одну область применения графен уже нашел: это солнечные фотоэлементы. "Раньше при производстве фотоэлементов в качестве прозрачного электрода применялись оксиды индия, допированные оловом. Но оказалось, что несколько слоев графена гораздо эффективнее", - сказал Александр Вуль, завлабораторией физики кластерных структур петербургского Физико-технического института имени Иоффе РАН.

Первые с физтеха

Андрей Гейм и Константин Новоселов - первые в истории выпускники Московского физико-технического института, получившие Нобелевскую премию: до этого лауреатами становились основатели и сотрудники МФТИ - Петр Капица, Николай Семенов, Лев Ландау, Игорь Тамм, Александр Прохоров, Николай Басов, Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов. Гейм закончил факультет общей и прикладной физики (ФОПФ) в 1982 году, Новоселов - факультет физической и квантовой электроники (ФФКЭ) в 1997 году. Оба выпускника получили красные дипломы.

"Это суперновость. Мы очень рады решению Нобелевского комитета. МФТИ уже направил поздравления новым Нобелевским лауреатам", - сообщил РИА Новости во вторник ректор МФТИ Николай Кудрявцев.

По словам ректора, сотрудники "подняли из архива их личные дела и убедились, что это были выдающиеся студенты". При этом Андрей Гейм не поступил в институт с первого раза, год проработав на заводе, но "проявил упорство" и стал студентом МФТИ.

"В течении всего времени учебы на ФОПФе Гейм получал самые высокие отзывы от преподавателей. А выпускную работу Гейма дипломная комиссия оценила исключительно высоко", - сообщил руководитель МФТИ.

Студент 152-й группы факультета физической и квантовой электроники Константин Новоселов, как отметил Кудрявцев, "посещал занятия нерегулярно, но все задания сдавал успешно и в срок".

"И отзывы преподавателей о Новоселове - также самые высокие. Это значит, что он был настолько талантлив, что ему, в общем-то, было необязательно ходить на все занятия", - прокомментировал архивные документы ректор МФТИ.

От Шнобеля к Нобелю

Коллега Гейма, Константин Новоселов , стал самым молодым Нобелевским лауреатом с российским гражданством: 36-летний физик на шесть лет моложе своего советского коллеги Николая Басова, в 42 года получившего премию 1964 года за работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе.

Самым молодым лауреатом во всей истории Нобелевской премии стал Лоуренс Брэгг, в 25 лет разделивший премию по физике со своим отцом, Уильямом Генри Брэггом. Следующие четыре позиции в списке самых молодых в истории лауреатов также занимают физики: Вернер Гейзенберг, Цзундао Ли, Карл Андерсон и Поль Дирак получили премии в 31 год.

Константин Новоселов, однако, войдет в историю премии как первый представитель поколения, родившегося в 1970-е годы. Как сообщает сайт премии, предыдущее десятилетие в списке лауреатов представляют физик Эрик Корнелл, биологи Кэрол Грейдер и Крейг Мелло, а также президент США Барак Обама, получивший Нобелевскую премию мира. Никого моложе 1961 года рождения, кроме Новоселова, в списке лауреатов нет.